Organization
School of Computing Associate Professor
Title
Associate Professor
Profile
専門：量子情報理論（特に量子ランダムネスを用いた、量子情報と量子物理の融合的研究）
External link
NAKATA YOSHIFUMI
Degree
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博士（理学） ( 東京大学 )
Research Interests
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Quantum Information Theory
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量子情報
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量子多体系
-
エンタングルメント
-
量子通信
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量子情報処理プロジェクト
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ランダム行列
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デザイン理論
Research Areas
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Natural Science / Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics / 量子情報
-
Natural Science / Mathematical physics and fundamental theory of condensed matter physics
Education
-
The University of Tokyo Graduate School of Science Department of Physics
2008.4 - 2013.3
-
The University of Tokyo Graduate School of Science Department of Physics
2006.4 - 2008.3
-
The University of Tokyo Faculty of Science Department of Physics
2004.4 - 2006.3
Research History
-
Institute of Science Tokyo School of Computing Associate Professor
2026.4
-
Kyoto University Yukawa Institute for Theoretical Physics Visiting Associate Professor
2022.8 - 2026.4
-
The University of Tokyo The Graduate School of Engineering Photon Science Center Assistant Professor
2020.5 - 2022.7
-
Kyoto University Yukawa Institute for Theoretical Physics Visiting Assistant Professor
2019.1 - 2020.5
-
The University of Tokyo The Graduate School of Engineering Photon Science Center
2017.8 - 2019.12
-
バルセロナ自治大学 量子情報グループ 長期研究員
2015.9 - 2017.2
-
東京大学大学院工学系研究科 博士研究員
2015.4 - 2017.7
-
ライプニッツ大学ハノーバー 理論物理研究所 博士研究員
2013.4 - 2015.3
-
青年海外協力隊エチオピア派遣 （博士課程休学）
2008.4 - 2010.3
Papers
-
Computational Complexity of Unitary and State Design Properties Reviewed
Yoshifumi Nakata, Yuki Takeuchi, Martin Kliesch, Andrew Darmawan
PRX QUANTUM 6 ( 3 ) 2025.9
-
Decoding general error correcting codes and the role of complementarity Reviewed
Yoshifumi Nakata, Takaya Matsuura, Masato Koashi
npj Quantum Information 11 ( 1 ) 2025.1
-
Hayden-Preskill recovery in Hamiltonian systems Reviewed
Yoshifumi Nakata, Masaki Tezuka
Physical Review Research 6 ( 2 ) 2024.4
-
Andrew S. Darmawan, Yoshifumi Nakata, Shiro Tamiya, Hayata Yamasaki
Physical Review Research 6 ( 2 ) 2024.4
-
One-Shot Triple-Resource Trade-Off in Quantum Channel Coding Reviewed
Eyuri Wakakuwa, Yoshifumi Nakata
IEEE Transactions on Information Theory 69 ( 4 ) 2400 - 2426 2023.4
-
Black holes as clouded mirrors: the Hayden-Preskill protocol with symmetry Reviewed
Yoshifumi Nakata, Eyuri Wakakuwa, Masato Koashi
Quantum 7 928 - 928 2023.2
-
Explicit construction of exact unitary designs Reviewed
Eiichi Bannai, Yoshifumi Nakata, Takayuki Okuda, Da Zhao
Advances in Mathematics 405 108457 - 108457 2022.8
-
One-Shot Hybrid State Redistribution Reviewed
Eyuri Wakakuwa, Yoshifumi Nakata, Min-Hsiu Hsieh
Quantum 6 724 - 724 2022.5
-
Yoshifumi Nakata, Da Zhao, Takayuki Okuda, Eiichi Bannai, Yasunari Suzuki, Shiro Tamiya, Kentaro Heya, Zhiguang Yan, Kun Zuo, Shuhei Tamate, Yutaka Tabuchi, Yasunobu Nakamura
PRX Quantum 2 ( 3 ) 2021.9
-
One-Shot Randomized and Nonrandomized Partial Decoupling Reviewed
Eyuri Wakakuwa, Yoshifumi Nakata
Communications in Mathematical Physics 386 ( 2 ) 589 - 649 2021.9
-
One-shot quantum error correction of classical and quantum information Reviewed
Yoshifumi Nakata, Eyuri Wakakuwa, Hayata Yamasaki
Physical Review A 104 ( 1 ) 2021.7
-
New holographic generalization of entanglement entropy Reviewed
Yoshifumi Nakata, Tadashi Takayanagi, Yusuke Taki, Kotaro Tamaoka, Zixia Wei
Physical Review D 103 ( 2 ) 2021.1
-
Generic Entanglement Entropy for Quantum States with Symmetry Invited Reviewed
Yoshifumi Nakata, Mio Murao
Entropy 22 ( 6 ) 684 - 684 2020.6
-
One-Shot Trade-Off Bounds for State Redistribution of Classical-Quantum Sources
Eyuri Wakakuwa, Yoshifumi Nakata, Min-Hsiu Hsieh
IEEE International Symposium on Information Theory - Proceedings 2020- 1864 - 1869 2020.6
-
One-Shot Randomized and Nonrandomized Partial Decoupling
Eyuri Wakakuwa, Yoshifumi Nakata
IEEE International Symposium on Information Theory - Proceedings 2019- 3007 - 3011 2019.7
-
Unitary 2-designs from random X- and Z-diagonal unitaries Reviewed
Yoshifumi Nakata, Christoph Hirche, Ciara Morgan, Andreas Winter
JOURNAL OF MATHEMATICAL PHYSICS 58 ( 5 ) 2017.5
-
Efficient Quantum Pseudorandomness with Nearly Time-Independent Hamiltonian Dynamics Reviewed
Yoshifumi Nakata, Christoph Hirche, Masato Koashi, Andreas Winter
Physical Review X 7 ( 2 ) 2017.4
-
Fundamental energy cost for quantum measurement
Kais Abdelkhalek, Yoshifumi Nakata, David Reeb
2016.9
-
Implementing unitary 2-designs using random diagonal-unitary matrices Reviewed
Yoshifumi Nakata, Christoph Hirche, Ciara Morgan, Andreas Winter
Leibniz International Proceedings in Informatics, LIPIcs 44 191 - 205 2015.11
-
Decoupling with random diagonal unitaries Reviewed
Yoshifumi Nakata, Christoph Hirche, Ciara Morgan, Andreas Winter
Quantum 1, 18 (2017) 1 2015.9
-
Thermal states of random quantum many-body systems Reviewed
Yoshifumi Nakata, Tobias J. Osborne
PHYSICAL REVIEW A 90 ( 5 ) 2014.11
-
Diagonal quantum circuits: Their computational power and applications Invited Reviewed
Yoshifumi Nakata, Mio Murao
EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL PLUS 129 ( 7 ) 2014.7
-
Generating a state t-design by diagonal quantum circuits Reviewed
Yoshifumi Nakata, Masato Koashi, Mio Murao
NEW JOURNAL OF PHYSICS 16 2014.5
-
Entanglement of phase-random states Reviewed
Yoshifumi Nakata, Peter Turner, Mio Murao
ELEVENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON QUANTUM COMMUNICATION, MEASUREMENT AND COMPUTATION (QCMC) 1633 32 - 34 2014
-
Diagonal-unitary 2-design and their implementations by quantum circuits Reviewed
Yoshifumi Nakata, Mio Murao
International Journal of Quantum Information 11 ( 7 ) 2013.10
-
A framework for phase and interference in generalized probabilistic theories Reviewed
Andrew J. P. Garner, Oscar C. O. Dahlsten, Yoshifumi Nakata, Mio Murao, Vlatko Vedral
NEW JOURNAL OF PHYSICS 15 2013.9
-
Measurement-based quantum computation on symmetry breaking thermal states Reviewed
Keisuke Fujii, Yoshifumi Nakata, Masayuki Ohzeki, Mio Murao
Physical Review Letters 110 ( 12 ) 2013.3
-
Yoshifumi Nakata, Peter S. Turner, Mio Murao
PHYSICAL REVIEW A 86 ( 1 ) 2012.7
-
Entanglement and the interplay between staggered fields and couplings Reviewed
Jenny Hide, Yoshifumi Nakata, Mio Murao
Physical Review A - Atomic, Molecular, and Optical Physics 85 ( 4 ) 2012.4
-
Simulating typical entanglement with many-body Hamiltonian dynamics Reviewed
Yoshifumi Nakata, Mio Murao
Physical Review A 84 ( 5 ) 2011.11
-
Simulating typical entanglement with many-body Hamiltonian dynamics Reviewed
Yoshifumi Nakata, Mio Murao
Physical Review A 84 ( 5 ) 2011.11
-
Thermal robustness of multipartite entanglement of the one-dimensional spin- 1 2 XY model Reviewed
Yoshifumi Nakata, Damian Markham, Mio Murao
Physical Review A - Atomic, Molecular, and Optical Physics 79 ( 4 ) 2009.4
-
Thermal enhancement of entanglement sensitivity to the phase diagram in XY model Reviewed
Yoshifumi Nakata, Damian Markham, Mio Murao
INTERNATIONAL JOURNAL OF QUANTUM INFORMATION 6 751 - 757 2008.7
Books
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量子情報理論 : 情報から物理現象の理解まで
中田, 芳史
朝倉書店 2024.10 （ ISBN:9784254135329 ）
MISC
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Unitary designs in quantum information science Invited
89 - 100 2018.6
Presentations
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Quantum Error Correction and Quantum Chaos in Hamiltonian Systems Invited
East Asia Joint Seminars On Statistical Physics 2025 2025.10
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量子力学から量子情報へ Invited
中田芳史
量子100周年研究会：量子基礎・量子情報のこれまでとこれから 2025.9
-
量子情報とユニタリデザイン~t-wise independenceの量子拡張~ Invited
中田芳史
情報理論研究会 2025.8
-
量子カオスと量子情報 Invited
中田芳史
第70回物性若手夏の学校 2025.7
-
Unitary designs in quantum information theory Invited
2025.2
-
Decoding Random Quantum Codes Invited
Yoshifumi Nakata
2023.7
-
Exact and approximate constructions of t-designs, and their applications, Invited
Y. Nakata
Workshop on Quantum t-Designs and Applications in Quantum Computing 2022.3
-
Randomness and one-shot decoupling in quantum information science Invited
Y. Nakata
Math Seminar @Shanghai university 2017.12
-
Applications and constructions of random dynamics in quantum information theory Invited International coauthorship
Y. Nakata
UT-ANU Workshop 2018.2
-
Efficient unitary designs with nearly time-independent Hamiltonian dynamics International coauthorship International conference
Y. Nakata, C. Hirche, M. Koashi, A. Winter
AQIS2017 2017.9
-
Unitary t-designs: constructions and applications Invited International coauthorship
Y. Nakata, C. Hirche, M. Koashi, A. Winter
IWQIQC2017 2017.12
-
Efficient unitary designs with nearly time-independent Hamiltonian dynamics International coauthorship International conference
Y. Nakata, C. Hirche, M. Koashi, A. Winter
TQC2017 2017.6
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量子ランダムネス -ランダムダイナミクスがもたらす複雑性の極限における物理- Invited
中田芳史
東京大学工学系沙川研集中セミナー 2017.7
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量子情報科学とユニタリ・デザイン Invited
中田芳史
東北大学情報科学研究科「数学と諸分野の協働推進による学際的・総合的な新領域研究の開拓」第22回講演会 2018.10
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Unitary designs: constructions and applications in quantum information Invited
中田芳史
第8回QUATUO研究会 2018.10
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Symmetric random unitary -its application to the black hole information paradox Invited
Y. Nakata
2018 Mini-Workshop on Design Theory and Quantum Information 2018.6
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Unitary designs in quantum information science Invited
中田芳史
第35回 代数的組合せ論シンポジウム 2018.6
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Decoupling with random diagonal-unitary matrices Invited
中田芳史
量子制御技術の発展により拓かれる量子情報の新時代 2015.7
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One-Shot Classical-Quantum Hybrid Capacity by partial decoupling theorem Invited International conference
E. Wakakuwa, H. Yamasaki, Y. Nakata
2020 International Workshop on Quantum Information, Quantum Computing and Quantum Control 2020.1
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One-shot Classical-Quantum Hybrid Capacity by partial decoupling theorem International conference
E. Wakakuwa, H. Yamasaki, Y. Nakata
FQST2020 2020.2
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Partial Decoupling Approach to Information Leakage Problem from Black Holes with Symmetry International conference
Y. Nakata, E. Wakakuwa, M. Koashi
AQIS2019 2019.8
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Entanglement and Information Retrieval from Black Holes Invited International conference
Y. Nakata
JAGFoS2019 2019.9
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量子ランダムネス入門 Invited
中田芳史
基研量子情報スクール 2019.3
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Information leakage from black holes with symmetry Invited International conference
Y. Nakata, E. Wakakuwa, M. Koashi
Quantum Information and String Theory 2019 2019.6
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中田芳史, 若桑江友里, 小芦雅斗
日本物理学会第74回年次大会 2019.3
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Quantum Information - from the viewpoint of randomness, a.k.a.,"scrambling" Invited
Y. Nakata
CGP internal workshop 2020.12
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Quantum Information Approach to Information Paradox of Black Holes with Symmetry Invited
Y. Nakata, E. Wakakuwa, M. Koashi
Qulink Seminar 2020.7
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量子スクランブリングと部分系からの情報復元 Invited
中田芳史
量子多体系の熱力学--数理の発展と展望 2020.9
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古典・量子ハイブリッド情報の量子誤り訂正：量子通信路符号化に向けて２ Invited
中田芳史
量子基礎・量子情報セミナー 2021.6
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Quantum circuits for exact unitary t-designs and applications to higher-order randomized benchmarking Invited International coauthorship
Y. Nakata
Seminar in Foxconn Quantum Computing Center 2021.6
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Quantum circuits for exact unitary t-designs
中田芳史, 赵 达, 奥田隆幸, 坂内英一
QIT44 2021.5
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古典・量子ハイブリッド情報の量子誤り訂正：量子通信路符号化に向けて Invited
中田芳史
量子基礎・量子情報セミナー 2021.5
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中田芳史, 若桑江友里, 山崎隼太
日本物理学会第76回年次大会 2021.3
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Explicit constructions of exact unitary designs and applications to randomized benchmarking Invited International coauthorship
Y. Nakata
Seminar in Heinrich Heine University Dusseldorf 2021.4
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量子の情報理論 ーエンタングルメントから通信限界までー Invited
中田芳史
量子情報春の学校2021 2021.1
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Information scrambling, quantum error correction, and information paradox with symmetry Invited International conference
Y. Nakata
Recent progress in theoretical physics based on quantum information theory 2021.3
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Quantum circuits for exact unitary t-designs and applications to higher-order randomized benchmarking International coauthorship International conference
Yoshifumi Nakata, Da Zhao, Takayuki Okuda, Eiichi Bannai, Yasunari Suzuki, Shiro Tamiya, Kentaro Heya, Zhiguang Yan, Kun Zuo, Shuhei Tamate, Yutaka Tabuchi, Yasunobu Nakamura
TQC2021 2021.7
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量子情報とブラックホール Invited
中田芳史
原子核三者夏の学校2021 2021.8
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高次randomized benchmarkingを用いたノイズ推定
中田芳史, Da Zhao, 奥田隆幸, 坂内英一, 鈴木泰成, 田宮志朗, 部谷謙太郎, Zhiguang Yan, Kun Zhuo, 玉手修平, 田淵豊, 中村泰信
日本物理学会第77回年次大会 2022.3
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量子情報における量子カオスと量子誤り訂正 Invited
中田芳史
東京大学駒場物性セミナー 2022.2
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Linking quantum information to physics Invited
Yoshifumi Nakata
Extreme Universe Online Seminar 2022.3
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Higher-order randomized benchmarking
Y. Nakata, D. Zhao, T. Okuda, E. Bannai, Y. Suzuki, S. Tamiya, K. Heya, Z. Yan, K. Zuo, S. Tamate, Y. Tabuchi, Y. Nakamura
International Symposium on Novel maTerials and quantum Technologies 2021 2021.12
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Decoding the Hayden-Preskill protocol Invited
Yoshifumi Nakata
IFQ-ExU joint mini workshop: Extreme Universe from Qubits 2021.12
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Lecture on quantum information & black holes Invited
中田芳史
Workshop on quantum information and quantum black holes 2021.9
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Explicit constructions of exact unitary t-designs Invited
Yoshifumi Nakata
Seminar at the Bristol university 2021.11
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Explicit constructions of exact unitary t-designs and applications to higher-order randomized benchmarking International coauthorship International conference
Yoshifumi Nakata, Da Zhao, Takayuki Okuda, Eiichi Bannai, Yasunari Suzuki, Shiro Tamiya, Kentaro Heya, Zhiguang Yan, Kun Zuo, Shuhei Tamate, Yutaka Tabuchi, Yasunobu Naka, mura
AQIS2021 2021.9
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Quantum error correction by low-depth random clifford circuits
Yoshifumi Nakata
2022.11
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Decoding quantum information from chaos: QEC beyond the standard situation Invited
KEK-theory workshop 2024 2024.12
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Lecture of Quantum Information Invited
The 6th "Extreme Universe" School 2024.9
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Towards Quantum Error Correction in Hamiltonian Systems Invited
New Trends in Condensed Matter Theory 2024 2024.12
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Decoding quantum information and complementarity principle Invited
Quantum TUT workshop 2024 2024.2
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Hayden-Preskill protocol from quantum information perspective Invited
Quantum Threads 2024.7
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Quantum error correction by low-depth random Clifford circuits Invited
Intenational Workshop on Quantum Characterization, Verification, and Validation (IWQCVV) 2023.8
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Thermal enhancement of entanglement sensitivity to the phase diagram in XY model International conference
Y. Nakata, D. Markham and M. Murao
AQIS2007 2007.9
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Measurement-based quantum computation protected by a long-range order induced by a thermal phase transition International conference
Y. Nakata, K. Fujii, M. Ohzeki, M. Murao
AQIS2014 2014.8
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Diagonal-unitary matrices and their applications in QIP Invited International conference
Y. Nakata
Qu-Pa 2014.12
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Hamiltonian Complexity Theory Invited
中田芳史
量子情報の新展開 2014.3
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Generating a state design by diagonal quantum circuits International conference
Y. Nakata, M. Koashi, M. Murao
AQIS2014 2014.8
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Simulating typical entanglement with many-body Hamiltonian dynamics in polynomial time International conference
Y. Nakata, P. S. Turner and M. Murao
AQIS2011 2011.8
-
Decoupling with random diagonal-unitaries International coauthorship International conference
Y. Nakata, C. Hirche, C. Morgan, A. Winter
AQIS2016 2016.9
-
Approximate unitary 2-designs: constructions and applications Invited International coauthorship International conference
Y. Nakata, C. Hirche, C. Morgan, A. Winter
RAQUEL 3rd scientific meeting 2015.10
-
Unitary designs: constructions and applications in quantum information theory Invited International coauthorship
Y. Nakata, C. Hirche, C. Morgan, A. Winter
Mathematics, Statistics and Applied Mathematics Seminar at NUI Galway 2015.11
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Implementing unitary 2-designs using random diagonal-unitary matrices International coauthorship International conference
Y. Nakata, C. Hirche, C. Morgan, A. Winter
TQC2015 2015.5
Research Projects
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2024 - 2027
科学技術振興機構 戦略的な研究開発の推進 戦略的創造研究推進事業 さきがけ
中田 芳史
Authorship：Principal investigator
近年、量子系におけるランダムなユニタリ時間発展を用いた量子情報処理が大きな注目を集めています。本研究では、ランダム相互作用を持つ量子多体系のハミルトニアン時間発展と量子制御を組み合わせることで、ランダム量子多体系における量子情報処理の可能性を探求します。特に、ランダム量子多体系の時間発展を活用した量子誤り訂正や閉じた量子系での局所熱平衡化などを協奏的に開拓することを目指します。
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Novel quantum information and exotic physics based on complex quantum dynammics
Grant number：22K03464 2022.4 - 2025.3
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Scientific Research (C) Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Authorship：Principal investigator
Grant amount：\3380000 （ Direct Cost: \2600000 、 Indirect Cost：\780000 ）
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Management Group
Grant number：21H05182 2021.9 - 2026.3
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A) Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
Authorship：Coinvestigator(s)
Grant amount：\136760000 （ Direct Cost: \105200000 、 Indirect Cost：\31560000 ）
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Quantum information for theoretical physics
Grant number：21H05183 2021.9 - 2026.3
Japan Society for the Promotion of Science Grants-in-Aid for Scientific Research Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A) Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)
Authorship：Coinvestigator(s)
Grant amount：\78260000 （ Direct Cost: \60200000 、 Indirect Cost：\18060000 ）
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持続可能な高度量子技術開発に向けた量子疑似ランダムネスの発展と応用
2018.10 - 2022.3
国立研究開発法人 科学技術振興機構 さきがけ
中田 芳史
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
次世代の情報革命をもたらすと期待されている量子情報処理ですが、その実現に向けて、解決しなければならない技術的課題は数多く残されています。本研究では、「疑似乱数」の量子情報版である「量子疑似ランダムネス」に着目し、その新発展と応用を目指した研究を行います。量子疑似ランダムネスを活用することで、現在の量子実験技術向上だけでなく、量子技術の長期にわたる継続発展の知的基盤が創成されることが期待されます。
-
計算複雑性的アプローチによる量子多体系の理論研究
2015.4 - 2017.7
日本学術振興会 特別研究員(PD)
中田芳史
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
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ランダムサンプリングの手法を用いた量子多体系の複雑性の解析
2013.4 - 2015.3
日本学術振興会 海外特別研究員
中田芳史
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
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有限温度下での多体エンタングルメントの解析および関連する物理現象の探索・解析
Grant number：10J02812 2010.4 - 2013.3
日本学術振興会 特別研究員(DC1) 特別研究員奨励費
中田芳史
Authorship：Principal investigator Grant type：Competitive
近年、絶対零度の系の部分系は有限温度系のように見えること(canonical typicality)や、その現象が全系のエンタングルメントに関連していることが明らかになっており、有限温度系の理解の深化のためにもエンタングルメントの解析が重要になってきている。このような流れの中で、今年度は従来の研究計画を更に発展させ、熱平衡状態の量子シミュレーション等を目的とした純粋状態の量子情報処理への応用可能性や、熱平衡状態を用いた量子計算の可能性を追求する研究を行った。前者は多体エンタングルメントに関連した物理現象の探索に繋がり、後者は、有限温度量子系の応用可能性を追求した研究となっている。
具体的にはまず、昨年度提唱した位相ランダム状態アンサンブル(P.R.S.E.)の量子情報処理への応用可能性を考察した。P.R.S.E.は、孤立系で発現する純粋状態の典型的な性質を解析することを一義的目標として提案された。今年度はP.R.S.E.を量子情報処理へ応用することを目的とし、量子回路を用いたP.R.S.E.の近似的生成方法を構築し、更に、P.R.S.E.と古典処理を組み合わせて、ヒルベルト空間に一様に分布するランダム状態アンサンブル(R.S.E.)を近似する方法も発見した。R.S.E.はcanonical typicalityに関連し、熱平衡状態の量子シミュレーションを可能にするため、本結果は有限温度系の理解に役立つ。
今年度は更に、有限温度下の量子計算のエラー耐性を高める研究も行った。量子計算を実行する際には熱雑音に起因する熱的エラーが大きなエラー源となっていたが、量子多体協力現象を活用することで量子計算中の熱的エラーを抑えられることを発見した。具体的には、量子計算を行う系の温度が相転移温度以下であれば熱的エラーを必ず訂正できることが分かり、従来研究に比べて遥かに高い温度での量子計算が可能であることを示した。本結果は、多体系の協力現象が量子計算にも有益であることを示しており、多体物理学と量子情報の関係をより緊密にしたという点でも極めて有意義な研究である。